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角散射法测量原理

光散射测量方法及应用

当光束入射到颗粒上时将向空间四周散射,光的各个散射参数则与颗粒的粒径密切相关,这就为颗粒测量提供了一个尺度。可用于确定颗粒粒径的散射参数有:散射光强的空间分布、散射光能的空间分布、透射光强度相对于入射光的衰减、散射光的偏振度等。通过测量这些与颗粒粒径密切相关的散射参数及其组合,可以得到粒径大小和分布,这构成了光散射颗粒测量方法的多样性。

    当光束入射到颗粒上时将向空间四周散射,光的各个散射参数则与颗粒的粒径密切相关,这就为颗粒测量提供了一个尺度。可用于确定颗粒粒径的散射参数有:散射光强的空间分布、散射光能的空间分布、透射光强度相对于入射光的衰减、散射光的偏振度等。通过测量这些与颗粒粒径密切相关的散射参数及其组合,可以得到粒径大小和分布,这构成了光散射颗粒测量方法的多样性。

    研究组在光散射颗粒测量方法方面具有扎实的研究基础,主要研究包括:

    (1)光脉动法颗粒两相流在线测量方法

    研究组提出了基于光脉动法的两相流颗粒粒径、浓度及运动速度参数在线同步测量方法,建立了两相流颗粒粒径、浓度与光散射衰减透射信号的反演关系,通过分析颗粒经激光光束造成的脉动衰减信号得到颗粒粒径及分布参数,通过衰减信号平均值得到颗粒浓度,同时结合双光束互相关测速法获得颗粒运动速度参数,研制相应的两相流颗粒粒径、浓度与速度同步在线监测系统,并该系统应用于锅炉煤粉输运、水泥生料输运等两相流颗粒参数的实时监测。

    (2)角散射低浓度烟尘在线测量方法

    2014年,国家发展改革委、环境保护部、国家能源局印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》要求东部地区新建燃煤发电机组在基准氧含量6%条件下,烟尘排放浓度分别不高于10mg/m3。针对超低排放要求,环保部2017年修订发布HJ76-2017标准要求:当颗粒物排放浓度不大于10mg/m3 时,烟气排放连续监测系统(Continuous Emission Monitoring System, CEMS)与参比方法测量结果平均值的绝对误差不超过±5mg/m3。为满足监测精度要求,CEMS目前采用的方法主要有两类:振荡天平法与β射线法等自动连续累积测量方法;角散射法在线烟尘浓度测量方法。自动连续累积测量方法可解决采样称重人为取样操作等各种因素的影响,采样在线测量自动一体化设计可使检测时间从数小时缩减到数十分钟,但对于锅炉燃煤颗粒物的瞬时监测与控制来说仍显不足。角散射法在线烟尘浓度测量方法通过测量前向小角度散射光强度等间接物理量实时得到烟尘浓度,但对于超低排放烟尘监测来说,由于烟尘排放浓度低,要求测量方法最低检出限低、测量灵敏度高,并且实际锅炉运行工况及烟气条件复杂,不同的除尘技术使得烟尘具有不同的颗粒粒度、密度等物理特征,这些因素导致角散射烟尘浓度测量反演误差较大。研究组结合国家燃煤电厂节能减排与环境保护重大战略需求,提出了多波长多角度光散射反演方法降低了烟尘测量下限、提高了测量精度与灵敏度,研制的测量装置可满足超低排放烟尘测量要求,为国家全面实施燃煤电厂超低排放提供了必要的技术支撑。

    (3)消光光谱细微颗粒测量方法

    消光光谱颗粒粒径测量方法通过测量光束穿过含有颗粒的介质后的透射光谱来实现颗粒粒径分布的反演]。消光光谱法由于具有对仪器设备要求低、测量范围相对较宽、测量结果准确及重复性较好的优势],而广泛应用于材料性能检测、化工聚合过程监控、颗粒物排放检测等领域。

    (4)激光衍射颗粒测量方法

    激光衍射激光颗粒测量方法基于光散射原理,激光光束照射到待测颗粒上时,入射光束将向空间四周发生散射,各个散射参数与颗粒粒径密切相关,接收透镜将散射光会聚在焦平面上,位于焦平面上的多元光电探测器将接收到的与被照颗粒尺寸分布有对应关系的光能信号,通过反演得到被测颗粒粒径及分布参数。